超高壓食品加工技術(shù)淺析
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超高壓食品加工技術(shù)是指以液體作為壓力傳遞介質(zhì)（通常以水為加壓介質(zhì)），在靜高壓100-1000MPa和一定溫度下處理適當(dāng)時間，使食品中的酶、蛋白質(zhì)、淀粉等生物分子失活、變性或糊化，以達(dá)到滅酶、殺菌和改善食品功能等目的（圖1）。
1.超高壓食品加工技術(shù)原理及作用特點
超高壓食品加工技術(shù)是一個物理過程，在處理食品時主要遵循兩個原理，即帕斯卡原理和勒夏特勒原理。帕斯卡原理認(rèn)為，食品高壓處理過程中，壓力以同一數(shù)值沿各個方向傳遞到介質(zhì)流體中所有流體質(zhì)點，使得食品受壓均勻，壓力傳遞速度極快，與食品的形狀和體積無關(guān)，且不存在壓力梯度。勒夏特勒原理是指反應(yīng)平衡將朝著減小施加于系統(tǒng)的外部作用力影響的方向進(jìn)行，即超高壓處理會使食品成分中發(fā)生的理化反應(yīng)向著最大壓縮狀態(tài)的方向進(jìn)行，從而食品中反應(yīng)平衡，反應(yīng)速率，以及分子構(gòu)象變化等。超高壓食品加工技術(shù)的最大特點是純物理過程，瞬間將壓力均勻地傳到食品的中心，操作安全、耗能低、無“三廢”污染，有利于生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。超高壓技術(shù)是在常溫或較低的溫度下進(jìn)行，不會對食品產(chǎn)生熱損傷，而且只破壞形成大分子立體結(jié)構(gòu)的非共價鍵（氫鍵、離子鍵、疏水鍵和水合作用等），而對形成小分子物質(zhì)（如色素、維生素等）的共價鍵幾乎沒有影響，同時能夠激活或滅活食品中自身存在的酶，提高食品品質(zhì)。因此，超高壓處理既可以保留天然風(fēng)味、色澤以及原有的營養(yǎng)價值，又可以殺死微生物、鈍化酶，延長食品的貨架期。超高壓處理技術(shù)與傳統(tǒng)熱處理技術(shù)相比較，其特點如表1所示：
2.超高壓技術(shù)對食品的影響
2.1超高壓技術(shù)對食品中蛋白質(zhì)和酶的影響
壓力對蛋白質(zhì)的影響是超高壓研究中的一個重要組成部分。超高壓作用下蛋白質(zhì)的分子體積被壓縮變小，改變分子非共價鍵，引起蛋白質(zhì)的解聚、分子結(jié)構(gòu)伸展等變化，從而影響蛋白質(zhì)的溶解性、乳化性、凝膠性、起泡性等性質(zhì)。低于800MPa的壓力會造成蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)的改變，其中四級結(jié)構(gòu)最為敏感，三級結(jié)構(gòu)次之，二級結(jié)構(gòu)則改變較??；高于800MPa，蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)也會受到影響。酶作為一種特殊的蛋白質(zhì)，超高壓可以破壞維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級鍵，導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)崩潰，發(fā)生變性，而三級結(jié)構(gòu)是酶活性中心的基礎(chǔ)。因此，超高壓對酶蛋白的構(gòu)象的改變或破壞，會影響酶的活性。研究表明，超高壓對酶活性的影響分為兩個方面：一方面較低的壓力會破壞完整組織中酶與基質(zhì)的膜隔離，增加酶與基質(zhì)的接觸面積，提高酶的活性；另一方面，較高的壓力導(dǎo)致三級結(jié)構(gòu)崩潰時，使酶的活性中心喪失或氨基酸組成發(fā)生改變，改變酶的催化活性。食品中常見的酶對壓力的耐受性從小到大依次為：脂肪氧化酶、乳過氧化物酶、果膠酯酶、脂酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶。趙光遠(yuǎn)等的研究表明壓力為400MPa時，激活了多酚氧化酶，當(dāng)壓力高于600MPa，多酚氧化酶失去活性。袁根良等研究了超高壓對香蕉果肉多酚氧化酶和過氧化物酶的殘存率的影響，結(jié)果表明，55℃，480MPa保壓10min時，它們的殘存率分別達(dá)到0.90%和3.26%。
2.2超高壓技術(shù)對食品組織結(jié)構(gòu)的影響
超高壓技術(shù)對食品組織結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為食品中蛋白質(zhì)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化。楊慧娟等報道鴨胸肉及腿肉經(jīng)超高壓處理，肌肉纖維組織內(nèi)肌動蛋白和肌球蛋白的結(jié)合解離，造成肌肉剪切力的下降，可以提高肉的嫩度。對于水產(chǎn)品，超高壓處理引起蛋白質(zhì)體積變小，形成立體結(jié)構(gòu)的各種鍵切斷或重新形成，結(jié)果產(chǎn)生了變性，肉組織變得白濁、不透明，發(fā)生凝膠化和組織化。另外，超高壓也可以改變植物細(xì)胞的通透性，也可以使細(xì)胞內(nèi)的代謝物和水分流到細(xì)胞外，進(jìn)而引起化學(xué)反應(yīng)，影響食品的品質(zhì)。Tangwongchai等研究超高壓處理對番茄組織結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)200MPa壓力幾乎沒有影響番茄的結(jié)構(gòu)，隨著壓力升高，300MPa壓力下，細(xì)胞間會截留一些氣泡，500和600MPa時，截留氣泡消失，但細(xì)胞間的空間變大。
2.3超高壓技術(shù)對食品中營養(yǎng)成分的影響
食品中的營養(yǎng)成分通常包括糖類、脂類、有機(jī)酸、維生素以及少量的蛋白質(zhì)和氨基酸、礦物質(zhì)、膳食纖維等。超高壓技術(shù)對食品營養(yǎng)成分的影響主要依賴于自身營養(yǎng)成分的性質(zhì)，前人研究發(fā)現(xiàn)超高壓一般對食品中各組分分子間的非共價鍵起作用，所以超高壓處理對食品中寡糖、有機(jī)酸、維生素、氨基酸和礦物質(zhì)等的影響較小。超高壓力技術(shù)在加工淀粉時，液體介質(zhì)在高壓下，遵循勒夏特勒原理，物系平衡高壓下呈體積減小趨勢，于是淀粉團(tuán)粒靜水壓下呈體積減小，水分子和淀粉之間的勢能增加，促使淀粉糊化。一些研究認(rèn)為，超高壓對脂類的影響是可逆的。陳迎春等指出脂類的耐壓能力較低，通常100-200MPa即可使其固化，但解除壓力后仍能復(fù)原，只是對油脂的氧化有一定的影響。Doblado等在室溫下，運用超高壓技術(shù)（300、400、500MPa，保壓15min）處理發(fā)芽4天和6天的豇豆種子，結(jié)果表明，維生素C含量分別達(dá)到23.3和25.2mg/100g（干重），分別降低了10%-28%和9%-14%。
2.4超高壓技術(shù)對食品中微生物的影響
超高壓對食品中微生物的影響主要表現(xiàn)為改變微生物細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、代謝反應(yīng)及遺傳等方面。極高的流體靜壓會影響細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)；有學(xué)者利用電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，30-40MPa壓力下，假單胞菌菌株的細(xì)胞外形變長、細(xì)胞壁變厚且質(zhì)壁分離、細(xì)胞膜消失及細(xì)胞質(zhì)出現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀區(qū)域、核糖體數(shù)量減少、細(xì)胞分裂減慢等變化。與化學(xué)反應(yīng)不同的是，生物體內(nèi)所有的代謝反應(yīng)都需要催化劑酶的參加；超高壓可以引起酶分子結(jié)構(gòu)或活性中心構(gòu)象的改變，影響酶的活性，進(jìn)而影響微生物的代謝反應(yīng)。
3.超高壓技術(shù)在食品中的應(yīng)用
3.1超高壓技術(shù)在乳制品中的應(yīng)用
乳制品加工中，超高壓技術(shù)主要用來滅活微生物，而不破壞乳制品的營養(yǎng)成分，其原理是利用核酸、蛋白質(zhì)、多糖等生物大分子或細(xì)胞膜受超高壓的影響結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響微生物的生命活動而停止，從而達(dá)到殺菌或鈍化酶的目的。與傳統(tǒng)的熱處理方法相比，超高壓處理不會破壞牛乳中的熱敏性成分，而且能夠改善乳制品的品質(zhì)，促進(jìn)酪蛋白的消化吸收。趙光遠(yuǎn)等研究發(fā)現(xiàn)牛乳殺菌效果取決于處理壓力的高低和保壓時間的長短，壓力越高，對牛乳的殺菌效果越好。肖楊等研究表明，在500MPa處理5-15min后，牛乳中的大腸菌群、霉菌、酵母等幾乎全被殺死，而且保壓時間越長，牛乳的殺菌效果越好。研究表明，超高壓處理乳制品殺菌，因微生物種類和試驗條件不同而有所差異。一般而言，細(xì)菌、霉菌、酵母營養(yǎng)體在300-400MPa壓力下可被殺死；病毒稍低壓力即可失活；芽孢桿菌屬的芽孢對壓力比本身營養(yǎng)體更具抵抗力，需要更高壓力才會被殺滅。類似于加熱殺菌中出現(xiàn)的低溫長時、高溫短時和超高溫瞬時殺菌，超高壓殺菌也分為低壓長時、高壓短時和超高壓瞬時殺菌，即壓力越高，處理所需時間越短。
3.2超高壓技術(shù)在果蔬品中的應(yīng)用
果蔬品的加工是超高壓技術(shù)在食品工業(yè)最為成功的應(yīng)用，同樣主要用于產(chǎn)品的殺菌作業(yè)。目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家已成熟運用超高壓技術(shù)，超高壓處理的果蔬品可以達(dá)到商業(yè)無菌狀態(tài)，且會產(chǎn)生新的風(fēng)味或組成成分。除了殺菌應(yīng)用外，改良食品品質(zhì)也是超高壓技術(shù)在果蔬品的另一重要應(yīng)用；芒果汁在25℃條件下，500MPa保壓20min后，檢測其香氣成分發(fā)現(xiàn)，超高處理使芒果汁的香氣成分含量發(fā)生變化，產(chǎn)生新的香氣成分（2-己烯醛和十八醛），芒果汁的香氣更加突出。日本明治屋食品公司采用室溫，400-600MPa壓力處理10-30min，生產(chǎn)草莓醬、蘋果醬等果醬，感官評價結(jié)果，加壓處理的果醬比加熱法的味道好。孫思成等報道500MPa壓力條件下處理10min能夠明顯改善大蒜產(chǎn)品的刺激性臭味和功能性營養(yǎng)品質(zhì)。
3.3超高壓技術(shù)在肉制品中的應(yīng)用
超高壓技術(shù)應(yīng)用于肉制品主要包括改善食肉口感、滅菌、解凍等方面。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，150MPa以上超高壓處理能促進(jìn)肌原纖維小片化，促使肌肉蛋白分解加速，游離氨基酸增加，使食肉嫩化，提高保水性、促進(jìn)熟成等。滅菌方面，大森丘報道，300MPa以上對肉制品常見腐敗菌大腸桿菌、彎曲桿菌、綠膿菌、沙門氏菌以及耶爾森菌等滅菌效果顯著，但對微球菌、葡萄糖球菌、腸球菌等則需更高的壓力，400MPa以上才開始減少，600MPa以上方可殺滅。有關(guān)肉制品解凍，研究發(fā)現(xiàn)5℃以下水作解凍熱媒體，壓力以100-150MPa為佳，與常壓解凍相比，不僅實現(xiàn)了快速解凍，而且汁液流失減少，肉色鮮艷、柔嫩，表里均一，有效地提高了解凍肉的品質(zhì)。
4結(jié)語
超高壓技術(shù)作為當(dāng)今食品加工技術(shù)的尖端科技，熱門食品加工技術(shù)之一，滿足了人們對食品營養(yǎng)和衛(wèi)生的需求。但需要指出的是，超高壓食品加工技術(shù)仍然存在一些不足，如超高壓引起酶促變質(zhì)的食品安全以及我國超高壓食品加工設(shè)備過分依賴進(jìn)口，昂貴的成本制約了超高壓食品產(chǎn)業(yè)化。另外，超高壓處理食品成分的變化以及相互作用的關(guān)系尚不能完全明白。相信隨著超高壓食品加工技術(shù)研究和開發(fā)不斷深入，超高壓食品科學(xué)必將與中華飲食文明結(jié)合，由單一的“熱”處理為主，走向“熱”“壓”并舉的時代，有著廣闊的應(yīng)用前景。
作者:左海萍 陳曉蘭 圣志存 單位:江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院